量子効果で電子を「ワープ」のようにずらす結晶を日本が開発——巨大光電流を鉛フリーで生成 (3/3)

光の色を変えたら、電流が逆流した——シフト電流の「指紋」

準備が整い、いよいよ本番の実験です。

薄膜にごく小さな金の端子を取りつけ、電池も電源もつながない状態で、光を当てます。

ここで一つ、やっかいな問題があります。じつは、シフト電流でなくても、光を当てると電流が流れてしまう”紛らわしいケース”があるのです。

金属の端子と結晶がくっつく境目には、どうしても小さな電気的な”段差”ができます。この段差が、光で自由になった電子を引っ張ることで電流を生むことがある。これは量子的なワープとは無関係の、ごくありふれた現象です。

しかも困ったことに、ただ「電流が流れた」と測るだけでは、この”ありふれた電流”と本物のシフト電流を見分けることができません。

そこで研究チームは、巧妙なワナを仕掛けました。当てる光の色を変えてみるのです。

もし流れているのが端子まわりのありふれた電流なら、その向きは端子側の事情で決まっているので、光の色を変えても向きは変わらないはずです。

ところがシフト電流なら、色によって電子のワープのしかたが変わるため、向きそのものが逆転することがあります。

つまり「色を変えて向きが逆転すれば、それはシフト電流を強く疑う手がかりになる」——そういう見分け方ができるのです。

そこで研究者たちは、当てる光のエネルギーを少しずつ上げていきました。

光の色を、赤っぽい（エネルギーの低い）ほうから紫っぽい（エネルギーの高い）ほうへ、じわじわと変えていったのです。

すると、この結晶が光を吸い始めるちょうどそのあたり（約1.6 eV）から、電流がはっきりと流れ出しました。

そして、さらに色を変えて紫寄りに近づけたある一点で、突然、電流の向きがプラスからマイナスへとぐるりと逆転したのです。

乾電池の向きを変えたわけでもないのに、光の色を変えただけで電流が逆流する——普通の電気回路の常識ではありえないこの現象は、シフト電流だけに現れる「指紋」です。

決め手は、これだけではありませんでした。

研究チームは、この結晶が光にどう反応するかを、量子力学のいちばん基本のルールだけから割り出した理論上の予測グラフと照らし合わせました。

結果、実際の実験データは、電流が逆転する位置や、マイナス側のピークといった特徴が、その予測とよく一致していることが示されました。

さらにこの結晶の内部には、原子のズレによって生まれた“電気の偏り”の向きがあります。

外から電気の力を加えてこの偏りを操作してやると、それに合わせて、流れる電流の大きさが変わりました。

電流のもとが、結晶のもつ「偏りを記憶する性質（強誘電性）」そのものと、しっかり結びついている証拠です。

「光の色で逆流する」「理論の予測とよく一致する」「結晶の偏りを操作すると電流も応える」——この3つの手がかりがそろったことで、観測された電流がシフト電流であることが強く裏づけられたのです。

では、ここまで苦労して「これはシフト電流だ」と突き止めたことに、どんな意味があるのでしょうか。

じつはこのシフト電流という仕組みは、ただ量子的な効果でロスを減らしただけではありません。

太陽電池の発電方式として、さらなる強みを備えているのです。

それは、結晶の”全体”で発電できるということです。

普通の太陽電池では、2種類の半導体を貼り合わせた接合部が光からエネルギーを受け取り、電流を送り出す役割を果たします。

ところがシフト電流は、この境目の仕組みを必要としません。原子がズレたこの結晶では、光が当たった場所ならどこでも電子のワープが起き、結晶のすみずみまで、全体が発電に参加できます。

もう一つは、太陽光の”おいしいところ”を吸えることです。

じつは、強誘電体を使った発電現象そのものは、昔から知られていました。

ですが、代表的な強誘電体（チタン酸バリウムなど）は絶縁体に近く、太陽光の大半を占める可視光をうまく吸えず、紫外線くらいしか使えませんでした。

これでは、太陽電池には力不足です。

その点CsGeI₃は、太陽光がもっとも強く降り注ぐ可視光をしっかり吸収できる、絶妙な値（バンドギャップが約1.6 eV）を持っています。

「ワープの強さ」と「太陽光のおいしい帯域を吸う力」を、一つの結晶で両立させている——理論的には、まさに理想の素材でした。

他にも、ワープするような電子の挙動からも恩恵が得られると考えられています。

ふつうの太陽電池では、光で自由になった電子が境目まで物理的に「走って」たどり着くのを待つ必要があり、その時間はナノ秒（10億分の1秒）からマイクロ秒（100万分の1秒）のオーダーです。

一方のシフト電流は、光を吸った瞬間に電子の波の形が切り替わることで生じる量子的現象なので、走る時間がそもそも要りません。

そのため理論上はピコ秒（1兆分の1秒）級の超高速応答が期待されています。

この圧倒的な速さは、さまざまな次世代技術の武器になりえます。

たとえば、6G以降の超高速通信に使う光検出器や、まだ開拓の進んでいない電磁波領域であるテラヘルツ帯のセンサーなどです。

もちろん、実用化にはまだ課題もあります。

結晶内部には「強誘電ドメイン」と呼ばれる、分極の向きがそろった小さな領域がモザイク状に存在していますが、今回の研究では、これらの向きを完全にそろえるまでには至りませんでした。

ドメインの向きがバラバラだと、ある領域の電子は右にワープし、別の領域の電子は左にワープして、効率低下に繋がります。

このドメイン構造をナノスケールで精密に制御する技術の確立や、薄膜の長期安定性の向上が、今後の研究テーマです。

ただし裏を返せば、これらを磨き込めばシフト電流をさらに大きくできるということです。

日本の産学連携チームが作り上げた、わずか70ナノメートルの結晶。

しかも鉛を使わずに、従来を10倍以上引き離す性能で。

その極薄のフィルムが見せた「電圧ゼロで流れる電流」と「光の色で逆流する電流」は、電子を「粒」として扱ってきた時代から、「波」として操る時代への転換を告げる一歩かもしれません。